介科学研究部

介科学研究部以介科学为核心，解决过程工程的共性基础与前沿问题，建立气固、气液、湍流、颗粒等复杂系统和材料与生化等领域的多尺度理论、高效准确的模拟方法和实验手段。

2024年度研究部承担了国家自然科学基金重大项目和中国科学院战略性先导科技专项、多行业企业合作等课题90余项；在化工领域主流期刊发表论文80余篇；国际介科学组织正常运行，举办第二届东湖·介科学论坛；怀柔科学城介科学与虚拟过程平台基建已竣工备案，完成70%设备采购。

重点进展一：发表展望文章 | 竞争中协调的原理：认识不同层次的介尺度复杂性

展望文章回顾了四十余年的多层次多尺度复杂系统研究过程，揭示了思维方式从一个具体的工程问题研究向跨学科概念提出的发展历程。文章详细阐述了复杂系统实例研究的具体步骤，强调了将工程问题与基础科学中的缺失环节联系起来的重要性，探讨了介科学在解析复杂系统时可能存在的共性规律，全面展望了介科学当前和未来研究的重点及发展方向，其在面对全球性挑战、基于竞争中协调原理的深度学习，以及跨学科领域的应用潜力。通过深入研究介科学，能够揭示复杂性和多样性背后的共性原理和简单规律，这对于应对全球重大挑战、转变科研范式，以及填补知识体系在不同层次介尺度上的缺失环节都具有深远意义。

图1 气-固系统实例研究的实施步骤

重点进展二：粗粒化离散颗粒模拟方法

粗粒化离散颗粒模拟因其较低的计算成本且能够获得颗粒运动信息而被广泛用于模拟气固流化床。然而，粗粒化颗粒带来的粗网格导致流体与颗粒作用的预测失真。为了提高精度和求解速度，构建了双重网格法（Aiqi Zhu, et al., Chemical Engineering Journal, 2024, 492: 152218）和亚网格流体与颗粒作用模型。并通过图形处理单元加速求解，模拟速度相比精细网格的模拟快674倍（Xiong et al., Chemical Engineering Journal, 2024, 498: 155042），表明该方法模拟工业气固流化床的有效性。

图2 耦合亚网格模型的粗粒化离散颗粒模拟方法

重点进展三：发布格子多相流体力学模拟软件LMFD 2.0

LMFD（Lattice-based Multi-Fluids Dynamics）2.0是由中国科学院过程工程研究所EMMS团队开发的一款面向多相流体系大规模数值模拟的科研和工程软件。该软件在原有版本的基础上进行了全面升级，具备了更强大的功能和更友好的用户体验。集成了非解析尺度下含任意构型的LBM-DEM模型 (Chemical Engineering Science. 2024, 283:119407)、提出水平集格子Boltzmann方法（Physical Review E. 2024, 110: 045309）和体积平均Navier-Stokes方程等效的格子Boltzmann模型( Journal of Computational Physics 2024,516:113350)。该版本以全新的软件界面、丰富的算法及应用拓展，实现了集“求解器”与“前、后处理”于一体的大规模仿真计算，并借助高性能硬件，实现准实时、高效、精准的格子多相流体力学模拟解决方案。从计算多相流基础理论到工业软件实践，把超级计算机的任务采用消费级显卡(游戏笔记本或台式机)完成，实现可负担超级计算机能力的工业仿真软件。

图3 LMFD 2.0软件